PBJ—张欢组开发了基于光敏性碳量子点的植物病害防控新策略
近日，中心张欢课题组在Plant Biotechnology Journal 杂志上在线发表了题为“Sunlight-sensitive carbon dots for plant immunity priming and pathogen defence”的研究论文。该研究工作设计合成了一种光敏性可降解的碳点 (Carbon Dots, CDs)，该CDs在增强植物抗病性的同时不会影响植物的产量，还可充当广谱的抗真菌剂。
极端天气与病原菌威胁全球粮食安全，传统防治手段因抗药性及污染受限。碳点（CDs）作为低成本、可降解的零维碳基材料，兼具光敏特性与高生物相容性，能增强植物光合作用、抗逆性及免疫应答。本研究通过水热法开发光敏CDs，发现其浓度依赖性双模功能：低浓度激活植物免疫基因，高浓度光催化直接杀菌。该策略突破传统纳米材料环境累积风险，为开发智能绿色农药提供新思路。
主要研究结果如下：
1. CDs的合成和理化性质表征
作者使用邻苯二胺和胱氨酸通过一步水热反应制备了2-5 nm的正电性CDs。傅里叶变换红外光谱和紫外可见吸收（UV-vis）光谱表明CDs富含N-H C-C、C=O/C=N、C=C和CO-NH等富电子官能团。在365 nm波长的光照下，CDs 的UV-vis光谱在~452 nm处出现了新的吸收峰，且随着光照时间的延长，该吸收峰的强度逐渐增强，同时位于228 nm 处的C=C的吸收峰逐渐减弱（图1f）。电子自旋共振波谱（图1g）证明该CDs在太阳光照下（氙模拟太阳光全光谱）可同时产生1O2、O2˙−和 ˙OH三种ROS（图1g）。CDs表面的富电子基团和共轭结构赋予CDs光生ROS的性质，同时，CDs产生的ROS能氧化自身含氮和含硫基团，导致新的吸收峰的出现。此外，当CDs暴露于户外90 d后，其FTIR和UV-vis特征峰逐渐变弱甚至消失，表明了CDs的可降解性和环境兼容性。
图1， CDs合成和表征。
2. CDs激活植物的免疫反应
基于ROS的双重生物学功能以及CDs可在太阳光照下产生ROS的特性，作者推测可以利用CDs产生的ROS来触发植物自身的防御反应。作者首先使用CDs喷施处理（浓度为240 mg/L）烟草和番茄植株的叶片，并在处理后4~8 h内观察到了ROS的爆发。另外，CDs处理还增强了植物抗氧化酶活性，表明CDs处理扰乱了植物自身的氧化还原稳态。使用灰葡萄孢菌侵染CDs预处理的番茄和烟草植株发现，CDs预处理可以显著降低烟草（33%）和番茄（12%）灰霉病的发病率。同时，使用辣椒疫霉孢子侵染CDs预处理的番茄叶片后，发病率降低了31%。ROS信号被认为是介导PTI和ETI下游免疫反应的重要次级信使，作者猜测CDs在原位产生的ROS通过损害植物表皮蜡质层和细胞壁，触发植物内部的系列免疫响应，如ROS爆发和抗氧化酶活性变化等。
图 2， CDs诱导ROS爆发，增强烟草和番茄植株对灰霉病的抗性。
为探究CDs诱导植物防御反应的机制，作者使用240 mg/L的CDs喷施处理了番茄叶片，并对处理后12 h和24 h的叶片进行了转录组分析。GO富集结果表明，CDs处理组的DEGs显著富集在细胞内源性刺激以及氧化还原等途径，表明CDs处理作为外部刺激激活了植物的抗氧化防御反应。对DEGs 进行KEGG富集分析后发现，处理12 h后的DEGs主要富集含硫氨基酸代谢，类黄酮、甾醇和谷胱甘肽等抗氧化相关物质的生物合成以及植物激素信号转导等通路。处理24 h 后的DEGs显著富集在光合作用天线蛋白、植物激素信号、MAPK信号级联，类固醇、苯丙氨酸、苯丙烷和蜡质等的生物合成过程。钙离子内流、ROS爆发、MAPK级联和防御激素响应等被认为是植物防御反应的第一道防线，这些信号可以介导下游，包括细胞壁增强、抗毒素生物合成等反应。而角质、蜡质和木质素是植物的主要屏障，可以保护植物细胞壁免受病原菌的水解，增强植物的抗病性。作者注意到在苯丙烷生物合成途径中，多个参与木质素合成的关键酶基因被显著调节。研究表明，POD在ROS的参与下介导木质素的生物合成。因此，综合CDs处理之后叶片中ROS的爆发和氧化还原稳态的变化等的结果，作者猜测本研究中POD和SOD活性提高以及ROS的生成可能与植物细胞壁增强有关。综上，作者认为CDs在叶片表面原位产生的ROS造成了植物叶片表面蜡质、细胞壁等的氧化损伤，破坏了细胞壁的完整性，从而诱导了包括木质素、角质和蜡质的合成、ROS爆发以及抗毒素的合成等系列免疫响应，增强了植物的抗病性。
鉴于持续ROS会导致氧化损伤毒性，影响植物生长和发育，作者进一步评估了CDs处理对植物光合作用和产量的影响。结果表明，CDs处理（即使高浓度处理）不会影响植物的正常生长和产量。
图 3， CDs处理对番茄叶片转录水平的影响。
3. 光敏性CDs的广谱抗真菌活性
作者还研究了CDs在持续阳光照射（氙灯模拟，9.4×10⁴ lux）下的抗真菌能力，探索CDs在田间病原微生物防治中的效果。结果表明，不同浓度CDs处理对B. cinerea菌丝生长的影响程度不同， 480 mg/L浓度CDs 处理下， 可以造成疫霉（P. capsici）、核盘菌（S. sclerotiorum）和灰葡萄孢菌（B. cinerea）的菌丝生长均被显著抑制，抑制率分别为66.5%，88.3%和100%，单独的光照处理和黑暗+CDs处理对菌丝生长没有影响，表明CDs具有独特的光诱导抗菌活性。作者还利用透射电镜和扫描电镜研究了CDs处理对灰葡萄孢菌菌丝和孢子形貌结构的影响，发现CDs处理后菌丝和孢子细胞壁结构严重破损，而对照组菌丝和孢子的结构完整，表面光滑。结合CDs处理对菌丝和孢子转录水平的影响，作者认为CDs在连续光照下产生的ROS不仅造成了病原菌细胞壁细胞膜等结构的损伤，还造成了细胞核内核酸的氧化损伤，最终导致孢子和菌丝的失活，降低了其侵染活力及传染能力。
图 4，CDs的抑菌活性。
结论
在这项研究中，作者开发了能够产生ROS、对太阳光敏感、可降解的CDs。该CDs可以作为植物免疫引发剂的同时还可作为广谱的抗真菌剂。在自然生长条件下,低浓度（240 mg/L）CDs产生适量的ROS，诱导细胞壁损伤介导的系列免疫反应，如ROS爆发、MAPK级联、植保素和木质素的积累，增强植物抗病性。持续光照下，高浓度（≥480 mg/L）CDs原位产生ROS可以造成疫霉（P. capsici）、核盘菌（S. sclerotiorum）和灰葡萄孢菌（B. cinerea）的结构损伤，使病原菌菌丝和孢子失活，可以预防植物疾病的发生和传播。CDs的免疫刺激和杀菌的双重功能为可持续植物保护提供了创新策略。此外，CD的可降解性和低毒性使其有望成为化学杀虫剂和杀菌剂的独特和安全的替代品。
上海交通大学农业与生物学院博士后寇尔丰博士为论文第一作者，张欢副教授（https://www.agri.sjtu.edu.cn/Data/View/6442）为该研究工作的通讯作者。感谢加州大学伯克利分校Markita Landry教授对该工作提供的宝贵意见。该研究工作得到了国家自然科学基金、博士后面上项目、国家资助博士后人员计划、上海市浦江人才计划等项目的资助。
上海交通大学张欢课题组因科研工作需要，现招聘2-3名博士后，研究方向包括但不限于：植物高效靶向递送体系构建、基因编辑在植物中的应用、RNA农药开发、植物成像等纳米技术与植物学交叉研究。有意者请发送个人简历至zhang_huan@sjtu.edu.cn。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70050